Neuer Rekord bei der Herstellung von Wasserstoff mit Solarzellen aus Silizium

Wasserstoff kann Erdöl und Erdgas ersetzen. Der Luxemburger Félix Urbain weiß, wie sich der CO2-freie Energieträger möglichst umweltfreundlich gewinnen lässt.

Die Energie des Sonnenlichts ist enorm. Die auf der Erdoberfläche eintreffende Strahlung reicht aus, um den weltweiten Energiebedarf gleich um ein Vielfaches zu decken. Doch das Sonnenlicht ist nicht zu jeder Zeit verfügbar. Solarmodule, die Wasserstoff statt Strom erzeugen, sind daher eine interessante Alternative. Denn der Wasserstoff lässt sich deutlich besser speichern als elektrischer Strom.

Entsprechende Solarmodule funktionieren ähnlich wie ein künstliches Blatt: Sie wandeln Sonnenenergie in chemische Energie um, indem sie Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten. Bei der späteren Energiebereitstellung mit Wasserstoff fällt nur Wasser und kein klimaschädliches Kohlendioxid an. Für den wirtschaftlichen Betrieb müssen die Kosten und der Wirkungsgrad der solaren Wasserstofferzeugung jedoch noch weiter verbessert werden.

Genau daran arbeitet Félix Urban. Der Forscher aus Luxemburg ist Doktorrand am Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-5). Im Rahmen des von der Technischen Universität Darmstadt koordinierten Schwerpunktprogramms SolarH2 hat Urbain eine spezielle Solarzelle entworfen und hergestellt: eine Silizium-Mehrfachstapelsolarzelle.

Höhere Photospannung durch übereinander gestapelte Solarzellen

Diese mehrschichtige Solarzelle ist speziell auf diese photoelektrochemische Wasserspaltung zugeschnitten. „Die besondere Schwierigkeit besteht darin, eine ausreichend hohe Photospannung zu erzeugen“, erklärt Jan-Philipp Becker, der gemeinsam mit Urbain in der IEK-5-Abteilung Materialien und Solarzellen forscht. In der Praxis seien etwa 1,6 Volt notwendig, um die Wasserspaltungsreaktion voranzutreiben. „Mit gängigen kristallinen Siliziumsolarzellen, deren Photospannung deutlich unter einem Volt liegt, ist das nicht zu schaffen“, so Becker.

Die Solarmodule hingegen bestehen aus drei oder vier übereinander gestapelten Zellen, die ihrerseits aus mehreren Schichten aufgebaut sind. „Durch den mehrlagigen Aufbau lässt sich das Sonnenlicht-Spektrum, das über verschiedene Wellenlängen reicht, effizienter einfangen“, erläutert Félix Urbain. „Gleichzeitig erhöht sich die Spannung auf bis zu 2,8 Volt und bietet damit sogar noch ausreichend Spielraum, um statt teurer Platinkatalysatoren auch weniger edle Metalle wie Nickel als Katalysator einzusetzen“, fügt Urbain hinzu.

Kostengünstiger großflächiger Einsatz dank Dünnschichttechnologie

Silizium-Dünnschichtsolarzellen werden nicht wie kristalline Zellen aus einer dünnen Scheibe, dem so genannten Silizium-Wafer gefertigt. Die Schichten werden vielmehr im Vakuum mittels verschiedener Techniken auf ein Glas- oder Kunststoffsubstrat abgeschieden. „Die Dünnschichttechnologie bietet den Vorteil, dass sie mit deutlich weniger Material auskommt als die klassische Wafertechnologie, und sich die Halbleitermaterialien vergleichsweise kostengünstig großflächig aufbringen lassen.“, erklärt Friedhelm Finger, Leiter der Forschungsabteilung.

Bislang erreichten Silizium-Dünnschichtsolarzellen, die ohne die vergleichsweise kostenaufwendigen Hochleistungs-Halbleitermaterialien auskommen, bei der Wasserstoffgewinnung nur einen Wirkungsgrad von 7,8 Prozent - ein Wert, den Félix Urbain mit seinem Team und dem Rekord von 9,5 Prozent nun deutlich übersteigt.

„Unsere Tests zeigen, dass sich Silizium-Dünnschichtsolarmodule effizient zur Erzeugung von Wasserstoff einsetzen lassen“, sagt Uwe Rau, Leiter des IEK-5, der eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrads auf über zehn Prozent für machbar hält. Der nächste Schritt sei nun die Skalierung der Solarzellen auf größere Flächen.

Autor: Forschungszentrum Jülich
Foto: Forschungszentrum Jülich